微创手术器械力传感器设计

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文章主要对腹腔微创手术机器人力传感器进行了研究,旨在探求一种在腹腔微创手术环境中进行力检测的方案,从而为手术机器人的力反馈系统提供实时准确的力信号。在研究过程中,首先通过参考大量国内外相关文献确定了传感器的检测方案,包括传感器的安装位置和检测原理。然后根据传感器的使用环境和医学实验分析提出了相应的设计指标,通过对比分析各类弹性体结构确定了传感器的结构方案,通过建模和仿真确定了最终的结构参数。最后根据之前的分析设计了实验方案,利用自行设计的信号处理电路、软件和标定平台进行了标定实验,得出实验结论。研究的主要实物成果包括三维和四维力传感器,一套具备信号调理、放大、采样和通信控制功能的电路,一套具备多通道数据采集、分析、显示和存取功能的Labview上位机软件,一套标定实验平台。理论上的成果为分析了两种多维力传感器结构,通过简化模型得出了外力与应变之间的矩阵关系,通过对矩阵条件数的分析和有限元分析确定了合理的尺寸;完成了信号处理电路原理图,包括信号调理、信号放大、信号采样和通信控制电路等;完成了下位机软件的编写,确定了通信速率,设计了采样控制算法等;完成了上位机软件的编写,利用图形编程语言实现了软件的各个功能,包括参数设置、采样绘图、标定解耦、数据存取等。通过标定实验得出如下结论,两种传感器结构设计合理,在外力作用下可以在相应方向产生足够的变形,能被后续电路检测到;信号处理电路和上位机软件设计合理,电路可以正常实现放大、采集、通信等功能,软件可以按要求实现数据采集、标定解耦、图表绘制等功能;所制作的传感器原理样机通过标定可以检测出指定方向的外力,各个方向之间耦合较小,在规定的载荷范围内具有较好的线性度和分辨率,满足设计要求。
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